Номер 1335, страница 206 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1335. *Запишите суммарные молекулярные уравнения реакций, протекающих в процессе электролиза с инертными электродами водных растворов следующих солей: хлорид меди(II), сульфат цинка, бромид калия, сульфат хрома(III), нитрат серебра, карбонат натрия.

Электролиз водных растворов солей с инертными электродами (например, платиновыми или графитовыми) зависит от природы катиона металла и аниона кислотного остатка.

На катоде (–) происходит процесс восстановления. Конкурируют катионы металла и молекулы воды:

• Если катион образован активным металлом (до $Al$ включительно в ряду активности), восстанавливается вода: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$.
• Если катион образован металлом средней активности (между $Al$ и $H$), на катоде могут восстанавливаться как ионы металла, так и молекулы воды. В данном решении для металлов средней активности (Zn, Cr) принимается, что восстанавливаются ионы металла, если их потенциал восстановления менее отрицателен, чем у воды, или же восстанавливается вода. Для Zn и Cr часто рассматривают разные сценарии в зависимости от условий, но в рамках общих задач чаще всего для Zn рассматривают восстановление воды, а для Cr — восстановление металла.
• Если катион образован малоактивным металлом (после $H$), восстанавливаются катионы металла: $Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me$.

На аноде (+) происходит процесс окисления. Конкурируют анионы кислотного остатка и молекулы воды:

• Если анион бескислородный (галогениды, кроме $F^-$, сульфиды), окисляется анион: например, $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$.
• Если анион кислородсодержащий ($SO_4^{2-}, NO_3^-, CO_3^{2-}$ и др.) или фторид-ион ($F^-$), окисляется вода: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$.

хлорид меди(II)

В водном растворе хлорид меди(II) диссоциирует на ионы: $CuCl_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2Cl^-$.

На катоде: Медь ($Cu$) – малоактивный металл, стоит в ряду активности после водорода. Поэтому на катоде будут восстанавливаться ионы меди.

$K(-): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0 \downarrow$

На аноде: Хлорид-ион ($Cl^-$) является анионом бескислородной кислоты, поэтому он будет окисляться.

$A(+): 2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$

Суммарное уравнение реакции электролиза в молекулярном виде:

$CuCl_2 \xrightarrow{электролиз} Cu \downarrow + Cl_2 \uparrow$

Ответ: $CuCl_2 \xrightarrow{электролиз} Cu \downarrow + Cl_2 \uparrow$

сульфат цинка

В водном растворе сульфат цинка диссоциирует на ионы: $ZnSO_4 \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-}$.

На катоде: Цинк ($Zn$) – металл средней активности. В этом случае на катоде происходит восстановление молекул воды (так как потенциал восстановления воды в нейтральной среде $-0.41$ В, а цинка $-0.76$ В).

$K(-): 2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

На аноде: Сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) является анионом кислородсодержащей кислоты, поэтому окисляться будут молекулы воды.

$A(+): 2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Поскольку на обоих электродах в реакцию вступает вода, суммарный процесс представляет собой электролиз воды. Соль $ZnSO_4$ лишь увеличивает электропроводность раствора.

Суммарное уравнение: $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Ответ: $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

бромид калия

В водном растворе бромид калия диссоциирует на ионы: $KBr \rightarrow K^+ + Br^-$.

На катоде: Калий ($K$) – активный металл (I группа), поэтому на катоде восстанавливаются молекулы воды.

$K(-): 2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

На аноде: Бромид-ион ($Br^-$) является анионом бескислородной кислоты, поэтому он будет окисляться.

$A(+): 2Br^- - 2e^- \rightarrow Br_2$

Суммируем процессы на электродах. В растворе накапливаются ионы $K^+$ и $OH^-$, образуя гидроксид калия ($KOH$).

Суммарное ионное уравнение: $2K^+ + 2Br^- + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2K^+ + 2OH^- + H_2 \uparrow + Br_2$

Суммарное молекулярное уравнение:

$2KBr + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2KOH + H_2 \uparrow + Br_2$

Ответ: $2KBr + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2KOH + H_2 \uparrow + Br_2$

сульфат хрома(III)

В водном растворе сульфат хрома(III) диссоциирует: $Cr_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Cr^{3+} + 3SO_4^{2-}$.

На катоде: Хром ($Cr$) – металл средней активности. На катоде будут восстанавливаться ионы хрома.

$K(-): Cr^{3+} + 3e^- \rightarrow Cr^0 \downarrow$

На аноде: Сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) является кислородсодержащим, поэтому окисляются молекулы воды.

$A(+): 2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Чтобы сбалансировать число отданных и принятых электронов (НОК(3,4)=12), умножаем катодный процесс на 4, а анодный – на 3:

$K(-): 4Cr^{3+} + 12e^- \rightarrow 4Cr^0 \downarrow$

$A(+): 6H_2O - 12e^- \rightarrow 3O_2 \uparrow + 12H^+$

Суммарное ионное уравнение: $4Cr^{3+} + 6H_2O \xrightarrow{электролиз} 4Cr \downarrow + 3O_2 \uparrow + 12H^+$.

В растворе остаются сульфат-ионы ($SO_4^{2-}$) и образуются ионы водорода ($H^+$), которые образуют серную кислоту ($H_2SO_4$).

Суммарное молекулярное уравнение:

$2Cr_2(SO_4)_3 + 6H_2O \xrightarrow{электролиз} 4Cr \downarrow + 3O_2 \uparrow + 6H_2SO_4$

Ответ: $2Cr_2(SO_4)_3 + 6H_2O \xrightarrow{электролиз} 4Cr \downarrow + 3O_2 \uparrow + 6H_2SO_4$

нитрат серебра

В водном растворе нитрат серебра диссоциирует: $AgNO_3 \rightarrow Ag^+ + NO_3^-$.

На катоде: Серебро ($Ag$) – малоактивный металл, поэтому восстанавливаются его ионы.

$K(-): Ag^+ + e^- \rightarrow Ag^0 \downarrow$

На аноде: Нитрат-ион ($NO_3^-$) является кислородсодержащим, поэтому окисляются молекулы воды.

$A(+): 2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Для баланса электронов умножаем катодный процесс на 4:

$K(-): 4Ag^+ + 4e^- \rightarrow 4Ag^0 \downarrow$

Суммарное ионное уравнение: $4Ag^+ + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 4Ag \downarrow + O_2 \uparrow + 4H^+$.

В растворе остаются нитрат-ионы ($NO_3^-$) и образуются ионы водорода ($H^+$), которые образуют азотную кислоту ($HNO_3$).

Суммарное молекулярное уравнение:

$4AgNO_3 + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 4Ag \downarrow + O_2 \uparrow + 4HNO_3$

Ответ: $4AgNO_3 + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 4Ag \downarrow + O_2 \uparrow + 4HNO_3$

карбонат натрия

В водном растворе карбонат натрия диссоциирует: $Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}$.

На катоде: Натрий ($Na$) – активный металл, поэтому восстанавливаются молекулы воды.

$K(-): 2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

На аноде: Карбонат-ион ($CO_3^{2-}$) является кислородсодержащим, поэтому окисляются молекулы воды.

$A(+): 2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Как и в случае с сульфатом цинка, происходит электролиз воды. Соль $Na_2CO_3$ служит электролитом.

Суммарное уравнение: $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Ответ: $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$